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关键词： 油气管道   内检测   应力   非饱和磁化  

摘要： 管道的应力集中效应会导致油气管道的失效,为能源的输送安全埋下巨大隐患。因此对管道进行定期检测和维护对预防事故发生、保障安全稳定运行具有重要意义。为了实现对管道应力集中区域的有效检测,本文在广泛调研国内外应力检测技术的基础上,总结各种管道应力无损检测的优缺点,提出一种对应力灵敏度高的非饱和局部磁化管道应力内检测方法,主要研究内容如下: (1)非饱和局部磁化应力检测原理与等效磁路模型分析研究。从磁畴磁化的微观角度结合铁磁性材料的技术磁化曲线、焦耳效应与维拉里效应对铁磁性材料进行力磁耦合分析,明确了非饱和局部磁化应力检测原理;对非饱和局部磁化应力检测探头检测油气管道进行等效磁路模型分析,获取了特征信号与应力间的解析模型。 (2)利用有限元分析方法对应力检测探头优化设计及力磁耦合分析。利用多物理场仿真软件建立有限元模型,对不同的激励电流、励磁源位置、检测芯片位置、屏蔽结构尺寸的磁感应强度信号进行分析,得到应力检测探头结构的最佳设计参数。对静拉伸应力、应力集中区域扫查模型进行力磁耦合有限元分析,获取了磁感应强度信号的变化规律。 (3)应力检测电子系统研制与静拉伸应力实验研究。依据仿真模型获得的最佳设计参数研制应力检测探头并组成应力检测电子系统。使用万能试验机进行静拉伸实验,定量研究应力与检测电压信号的特征规律,推导应力与检测电压信号的解析模型,与静拉伸应力力磁耦合有限元仿真进行验证,证明静拉伸实验的可靠性。静拉伸实验研究表明:随着拉伸应力的增大,检测电压信号线性减小。 (4)应力集中区域扫查实验研究。搭建应力集中区域扫查实验平台,使用应力集中区域扫查实验平台结合自研的应力检测探头对含应力集中区域的被测管道进行连续扫查,并使用S-G滤波器对检测电压信号进行平滑处理,研究应力与检测信号的影响规律,实现对被测管道应力集中区域的定位。应力集中区域扫查实验研究表明:在应力检测探头连续扫查被测管道的过程中,整体检测电压信号呈现凸起趋势,非应力集中区域检测电压信号为稳定基准值信号,应力集中区域的检测电压信号为峰值信号。

关键词： 锂电池   电化学-力耦合   数值模拟   应力分析  

摘要： 随着“碳达峰”、“碳中和”等目标的提出,全球能源布局发生了改革。在此背景下,汽车产业也步入电动化方向,从而推动了锂电池等新型电池技术的发展。然而汽车模组的机械约束会影响压力变化,进而影响使用寿命和安全性。因此,需要对模组约束和电池扩散应力的相互作用进行深入研究,而由于目前对于各参数对扩散应力的影响等很难通过实验方法获取,因此本文主要通过建立电化学与扩散应力耦合的模型对电池内部扩散应力分布以及影响因素和外部压力下电池应力分布进行研究,从实验表征、扩散机理分析、模型建立以及基于模型分析等方面展开研究,论文的主要研究内容分为以下几点: (1)首先针对本文所选某款商用三元电池搭建了电池电性能测试平台以及电池循环膨胀应力测试平台,通过对试验电池进行容量标定等基础测试获取试验电池基本性能参数,应力测试包括不同初始夹紧力和不同气压条件下的测试。 (2)根据锂离子电池内部电化学原理以及电池内部电化学与力学特性关系建立电化学-力耦合模型,通过一维模型可以分析充放电过程颗粒层面锂浓度分布以及电极层面扩散应力、应变的分布,通过电化学模型中的锂浓度场分布与力模型中应力与应变等参数进行耦合,整个模型通过COMSOL仿真软件实现。 (3)模型建立后根据与电池基本性能测试数据对比分析准确度,包括不同倍率放电试验,HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization,HPPC)试验以及动态工况试验(Dynamic stress test,DST),经过曲线误差分析,验证了模型准确度较好,可以进行下一步模型应力分析。 (4)通过对一维电化学-力耦合模型的分析得出,由于锂离子嵌入和脱出电极活性颗粒速率不一致产生的颗粒内外锂浓度差是诱导电极扩散应力的主要因素,而杨氏模量、温度、电极颗粒半径等参数对电极扩散应力有不同程度的影响。接着建立三维电化学-力耦合模型,从电池的尺度对电池内部扩散应力进行分析。

关键词： 超声   微泡   生物组织   有限元法   应力  

摘要： 超声场中受束微泡对生物组织的力学效应在超声溶栓、靶向药物传递等方向具有重要的医学应用。本文通过建立气泡-液体-固体多物理场耦合动力学模型,利用有限元法,研究振荡微泡与不同曲率的生物组织壁面间的相互作用,特别是微泡邻近凹面和凸面附近的两种边界作用过程。重点研究不同边界曲率、微泡初始半径、超声频率、边界组织的杨氏模量对生物组织的形变以及应力分布。 计算结果表明:无论是凹面还是凸面边界,气泡在整个的振荡过程中均会不断向壁面靠拢;对较大曲率的边界,其壁面所受空化应力越小,气泡的振荡越小,且在气泡破裂前的过程中,壁面的形变也越小;当空化气泡达到最小体积时,即微泡即将破裂时,壁面受到的应力达到最大,壁面形变也相应达到最大,凸形边界顶部呈现下陷;不论是凹面还是凸面,在气泡的振荡过程中,生物组织的中间部位均受到了相对较大应力,且在离气泡越近的组织区域,其应力分布越大,而离气泡较远的边界部位的应力相对较小,应力与相对(顶部或底部)距离呈反比;在最终坍塌阶段,高速射流形成,并向边界辐射,在气泡完全破裂前伴随短暂的冲击波。冲击波相对微射流会可能造成更大的空化损伤;在相同声参数和边界条件时,凹面受到的壁面损伤和壁面所受的最大应力均要小于凸面;在微泡初始半径和边界结构相同、超声频率为0.6-1.0MHz时,凹面和凸面的固体边界产生的形变和受到的应力均随着超声频率的增大而增大。在超声频率为1.0-1.4MHz时,壁面形变和受到的应力随着超声频率的增大而减小;在其他参数相同时,杨氏模量大的材料具有更高的抗变形能力。 本文建立了多个不同边界曲率对应的气泡-液体耦合和与液体-固体耦合的双向耦合模型,研究了各项参数下的微泡动力学行为以及壁面的损伤情况。该模型对推动超声溶栓、软组织损伤治疗等临床应用具有重要意义。

关键词： 10CrMo910   材质劣化   珠光体球化   应力分析  

摘要： 中国石化扬子石油化工有限公司芳烃厂铂重整反应器是芳烃联合装置的核心设备。江苏省特检院无锡分院对中石化扬子公司芳烃厂服役超32年、运行时间超过260000h、材料为10CrMo910的铂重整反应器进行定期检验，运用硬度检测、金相分析包括覆膜金相分析和应力分析等方法，检测发现珠光体球化级别为4级，判定该设备材质发生劣化，并且根据强度校核结合材质劣化扩展可能性进行定级。

关键词： 航空发动机   圆柱齿轮   齿轮修形   应力   振动   试验  

摘要： 通过齿轮合理修形能够改善齿轮传动接触状况及降低由几何传动误差产生的振动和噪声，减小齿轮啮入啮出干涉冲击，提高齿轮寿命。以航空发动机附件机匣渐开线圆柱齿轮为例，通过附件机匣整体仿真、离心力影响分析、轮齿热弹耦合分析，确定齿轮修形方案，有效降低了齿轮啮入及啮出位置最大等效应力。通过附件机匣振动测量试验，对比修形前后齿轮振动能量变化规律，结果表明修形后齿轮振动能量降低17%～80%，有效验证了齿轮修形效果。

关键词： 隔膜压缩机   膜片组   应力   有限元分析   结构优化  

摘要： 氢能源燃料电池汽车的迅速发展扩大了对加氢站的需求,对加氢站的重要设备--隔膜压缩机的性能也提出了更高的要求。隔膜压缩机通过机械或液压方式驱动膜片,使其产生弹性变形来实现对气体的压缩和传输。因此膜片的寿命与可靠性对隔膜压缩机的影响起着至关重要的作用,膜片在工作中承受每分钟数百万次的应力,据统计隔膜压缩机膜片的故障类型大多数是由于工作过程中膜片产生疲劳破坏而造成的,主要表现为严重的翘曲变形、穿孔和裂纹。因此探究单层膜片以及膜片组的结构并对膜片进行优化等问题具有重要的研究意义。本文主要研究内容为:(1)首先根据膜腔在一个吸排气周期内,膜片与液压缸的受力情况,对膜片所受的应力进行分析,在此基础上,根据一个压缩工艺过程中单层膜片不同位置的应力-应变情况,得出膜片在发生变形过程时受到的应力-应变规律;再对三层膜片组在不同挠度下的应力-应变情况进行分析,对膜片的易损区进行定位。(2)应用有限元方法对隔膜压缩机的膜片组进行力学分析,根据MD2.5压缩机膜片主参数和工作条件以及受力,分别对三层膜片的等效应力应变情况进行了模拟分析,分析结果与理论计算进行了对比。(3)对膜片组厚度,材料和油腔与膜片贴合表面的过渡圆角进行了优化,延长膜片组的工作寿命,缓解膜片受到来自膜腔贴合角的应力集中,优化了膜片组的结构。分析与优化结果表明,本文对膜片进行了力学和有限元分析,得到了膜片在受力时的变形曲线,对滑动区和粘附区进行了分析。通过优化膜片组,可以提高膜片组的使用寿命,可有效地改善隔膜压缩机的工作效率。

关键词： 台阶爆破   孔间延期   应力场   岩石破碎   有效应力  

摘要： 露天煤矿开采中利用炸药的爆炸能量对煤、岩施加荷载使其破碎。数码电子雷管在矿山上的应用是露天矿山爆破开采的重大技术。目前,电子雷管未能形成整套、成熟理论,国内露天矿山开采中数码电子雷管技术并不能得到充分发挥。元宝山露天矿台阶爆破开采的核心参数是炮孔装药量和孔间延时,未结合实际煤岩可爆性和赋存条件确定符合实际的钻孔爆破参数,针对参数的设计仅凭理论、现场经验并不能适应矿山开采对爆破效果的要求,爆破效果一般。探究受岩体爆破作用下破岩应力与孔间参数以及爆破效果预测,对露天矿台阶爆破技术提升具有理论和实际工程意义。 弄清孔间爆破岩石破裂规律是揭示群孔爆破岩石破碎机理的基础。以元露天矿爆破为研究对象,以空气间隔理论和损伤力学理论为基础,修正哈努卡耶夫提出的延时控制半经验公式,并以此进行计算延期时间。接着借助非线性有限元数值模拟软件构建现场模型,其台阶空气间隔位置位于5m条件下,模拟孔间延期时间以3ms作为间隔单位,分别设置为12ms、15ms、18ms起爆不同种方案模型,采用流固耦合算法模拟单排孔间延时爆破的压力等瞬时变化过程。结合张拉-压剪损伤理论,通过后处理Ls-Prepost计算不同延时起爆方式下,爆源近区、中近区以及中远区岩体中关键节点的失效,详细描述爆轰波传播以及岩体破裂过程。探讨了同排孔间,孔内同时起爆,孔间延期起爆后,在岩体中的应力场分布规律;同时对比分析孔内同时起爆,孔间同时起爆后的应力场分布对比。最后,结合现场进行不同段别数码电子雷管组合的延时爆破试验,将地质条件的物理力学参数代入修正后的延时计算公式,验证延时时间的合理性。 结果表明,孔间微差爆破的应力波在底部、空气间隔和顶部的衰减速度相比,在空气间隔部位的应力波峰值衰减在1～3m区间比3m～8m的区间快。模型一延期12ms条件下,所有考察单元的平均有效应力达到岩石屈服强度的时间为18.16 ms,模型二的考察单元有效应力平均持续时间为17.68 ms,模型三起爆后下的考察单元有效应力平均持续时间为18.54 ms。模型二起爆方式,各个考察点统计得到的有效应力,其持续时间的平均值在三种模型条件下最短。而在模型一和三两种起爆方式下,各考察点出现有效应力持续达到破岩条件下的时间久,选定最佳孔间微差延期为12 ms。最后,以元宝山露天矿368～392平盘东帮爆区进行现场试验,达到计算机与理论相结合,证实现场试验的目的。

关键词： 热障涂层涡轮叶片   温度场   应力场   残余应力   隔热温度  

摘要： 涡轮叶片作为航空发动机的核心部件,在服役期间不仅面临着高温燃气的作用,还需要承受离心力、气动力等多种形式的载荷,这对航空发动机的安全性及可靠性提出了严峻的考验。由于进一步增加航空发动机的推力将提高涡轮前温度,为防止相关部件性能恶化、延长使用寿命,将热障涂层系统应用于先进燃气轮机、航空发动机等热端部件表面能够有效保护基底免受高温瞬态和环境的影响,这对航空发动机的安全稳定运行具有重要的意义。本文首先在力热耦合条件下对高温合金叶片进行了弹塑性有限元分析,探究了高温合金叶片的力热响应机制;之后为高温叶片引入热障涂层,模拟了热障涂层叶片制备后的冷却过程;并进一步对高温热冲击下和高转速下的热障涂层涡轮叶片的温度场及应力状态进行了模拟分析,揭示了带涂层的叶片基底和不带涂层的叶片在高温高转速环境下力学行为差异的应力机制,取得了如下成果:(1)建立了高温合金叶片和热障涂层涡轮叶片的三维有限元模型。首先建立简化的实心涡轮叶片几何模型,并逐级为其增加冷却通道结构、热障涂层结构,从而建立起从简化的实心叶片、含冷却通道叶片、到更接近实际的同时含热障涂层及冷却通道叶片三种类型的系列涡轮叶片有限元模型,以便定量分析叶片几何结构及热障涂层对其力热行为的影响。(2)基于有限元方法对涡轮叶片热障涂层制备后的冷却过程进行了仿真分析。通过采用热对流换热方式实现热障涂层叶片的冷却阶段模拟,获得了热障涂层和叶片基底的残余变形情况及残余应力状态。研究结果表明热障涂层在制备后产生的残余应力及残余变形分布均由叶片的冷却收缩和曲率变化主导,其受到的残余压应力值在0～200 MPa之内。(3)基于有限元方法对高温合金叶片和热障涂层叶片的实际服役过程进行了仿真模拟。根据航空发动机的不同工况依次对涡轮叶片开展离心载荷、高温载荷及两种载荷耦合作用时的叶片失效分析研究,得到了涡轮叶片系统的应力分布及演化规律,发现服役过程中热障涂层在叶片叶背区域阻热效果最好,最大可降低叶片温度290℃。并进一步为热障涂层涡轮叶片引入了热生长氧化层,讨论了其对热障涂层涡轮叶片失效形式的影响。

关键词： 工程力学   工程施工   课程融合   融合模式  

摘要： 目前，高等职业教育土木类专业大多以单一课程的教学模式进行教学，忽略了课程知识间的联系。这种教学模式难以使学生形成完整的辩证相关的知识体系，学生往往缺乏理论联系实践能力。基于课程背景，提出将土木类专业中的工程力学与工程施工进行课程融合教学，探寻课程间的交叉知识点，整合教学案例，并应用于教学实践。

关键词： 牙隐裂   全瓷单冠   全瓷高嵌体   三维有限元   应力  

摘要： 目的:全瓷单冠与全瓷高嵌体两种修复方式下的下颌第一磨牙隐裂牙的三维有限元模型对其裂纹扩展情况进行分析。方法:建立下颌第一磨牙裂纹深度Ⅰ至牙冠中1/3处未修复的有限元模型为A0对照组;裂纹深度Ⅱ至釉牙骨质界处为B0对照组。由于其裂纹深度已达髓腔,所以在对照组基础模型上进行根管治疗后使用全瓷单冠和全瓷高嵌体两种不同修复方式进行修复作为实验组。A1组:裂纹深度Ⅰ高嵌体修复;A2组:裂纹深度Ⅰ单冠修复。B1组:裂纹深度Ⅱ高嵌体修复;B2组:裂纹深度Ⅱ单冠修复。根据牙体在咀嚼过程中的受力点位对所有模型进行垂直向载荷(0°)和侧向载荷(45°),模拟最大咬合力600N。用ANSYS Workbench对裂纹应力强度因子,J积分值以及最大主应力进行分析。结果:1)在垂直载荷和斜向载荷下,相较于对照组,实验组裂纹的应力强度因子最大绝对值、J积分最大值以及最大主应力均下降且差异分布减小,其中高嵌体各组裂纹最大主应力均小于全冠组;2)相同条件下,裂纹深度Ⅱ下的各指标均大于裂纹深度Ⅰ;斜向载荷下的各指标均大于垂直载荷。结论:1)高嵌体和全冠对隐裂牙裂纹扩展均具有抑制作用,且在降低裂纹最大主应力方面高嵌体稍优于全冠;2)斜向载荷和深裂纹对裂纹扩展的影响更大。